MRI自動(dòng)質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)層厚及幾何精度檢測(cè)可行性研究

周昕，張淳

首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京地壇醫(yī)院 醫(yī)工處，北京 100015

引言

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）質(zhì)量控制是保證設(shè)備正常運(yùn)行、掃描圖像符合診斷標(biāo)準(zhǔn)的重要保障[1-2]。隨著MRI在醫(yī)學(xué)成像中的廣泛應(yīng)用，對(duì)MRI設(shè)備質(zhì)量控制需求日益增加。在1990年代初期，美國(guó)放射學(xué)院（American College of Radiology，ACR）將每周一次的質(zhì)量控制協(xié)議作為整個(gè)MRI認(rèn)證的一部分，同時(shí)美國(guó)醫(yī)學(xué)物理師學(xué)會(huì)也針對(duì)MRI發(fā)布了一系列測(cè)試報(bào)告[3]。質(zhì)量控制協(xié)議規(guī)定需每周由操作人員對(duì)專(zhuān)用測(cè)試對(duì)象進(jìn)行掃描與圖像測(cè)量。此過(guò)程需要大量人力與時(shí)間投入，然而由于臨床工程師與醫(yī)學(xué)物理師的人力缺乏，無(wú)法滿足臨床對(duì)MRI設(shè)備質(zhì)量控制的需求[4]?；诖?，MRI設(shè)備質(zhì)量控制操作自動(dòng)化對(duì)于滿足臨床MRI設(shè)備的需求很有必要。雖然，國(guó)內(nèi)外對(duì)MRI自動(dòng)質(zhì)量控制略有報(bào)道[5-7]，但對(duì)自動(dòng)和手動(dòng)兩種方式深入的對(duì)比分析研究少有涉及。本研究使用MATLAB軟件[8-10]對(duì)圖像進(jìn)行自動(dòng)分析，對(duì)比分析手動(dòng)與自動(dòng)兩種測(cè)量方式對(duì)設(shè)備測(cè)量結(jié)果的關(guān)聯(lián)性，測(cè)量參數(shù)主要是層厚與幾何精度。

1 材料與方法

選取經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員對(duì)我院GE 750w 3.0 T設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)模型為美國(guó)放射學(xué)會(huì)ACR標(biāo)準(zhǔn)體模。在連續(xù)20周內(nèi)，技術(shù)人員每周使用正交線圈對(duì)ACR頭部體模進(jìn)行掃描，獲取質(zhì)量控制數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)采用兩種方式進(jìn)行處理，即基于MATLAB軟件與人工手動(dòng)測(cè)量，分別得到20組數(shù)據(jù)。為保證掃描過(guò)程的可重復(fù)性，ACR體模使用體模支架固定，將其放置于正交線圈中，該支架材料與MRI可兼容且無(wú)偽影。

1.1 數(shù)據(jù)采集

掃描序列為自旋回波序列，參數(shù)如下：重復(fù)時(shí)間TR 500 ms，回波時(shí)間TE 20 ms，視野FOV 250 mm×250 mm，矩陣256×256，層厚5 mm，層間隔 5 mm，掃描時(shí)間為136 s，激勵(lì)次數(shù)NEX=1，接收帶寬為156 Hz/pixel，該序列不使用并行采集、校正、濾過(guò)等內(nèi)部校準(zhǔn)技術(shù)。

掃描方法：將ACR體模水平放置在正交線圈內(nèi)，其軸與掃描孔軸相平行，為保證結(jié)果一致性，每次體模擺位與定位盡量保持一致，待體模進(jìn)入磁場(chǎng)中心位置時(shí)，靜止數(shù)分鐘，開(kāi)始掃描。先進(jìn)行三平面定位，后根據(jù)矢狀定位像進(jìn)行軸位定位。軸位定位時(shí)，根據(jù)ACR規(guī)定，掃描范圍由下端楔形相交頂點(diǎn)開(kāi)始至上端楔形性交頂點(diǎn)結(jié)束，共11層，層厚設(shè)置為20 mm（圖1）。掃描結(jié)束后，利用第一層圖像進(jìn)行層厚測(cè)量，幾何精度在第五層測(cè)量。

圖1 矢狀定位像及11個(gè)軸向切面的位置和圖像

1.2 數(shù)據(jù)測(cè)量

1.2.1 自動(dòng)數(shù)據(jù)測(cè)量

ACR推薦的自動(dòng)化測(cè)量方法是基于MATLAB中圖像處理功能實(shí)現(xiàn)的。該軟件可對(duì)圖像進(jìn)行精度測(cè)量、邊緣檢測(cè)、分割、過(guò)濾等。精確度是評(píng)估MRI性能的一個(gè)重要指標(biāo)；邊緣檢測(cè)、分割、過(guò)濾對(duì)獲取圖像中感興趣區(qū)（Region of Interest，ROI）很有必要。

1.2.2 手動(dòng)數(shù)據(jù)測(cè)量

（1）層厚測(cè)量。層厚是利用插入模型中兩個(gè)薄的傾斜平行板進(jìn)行測(cè)量的，見(jiàn)圖2。根據(jù)ACR規(guī)范，傳統(tǒng)測(cè)量方法[11]如下：① 選擇第一層，將圖像放大2～4倍，調(diào)整窗寬窗位，在每個(gè)信號(hào)正中設(shè)置ROI；② 分別記下兩個(gè)ROI的平均信號(hào)值，即為斜坡正中的信號(hào)值，也可用一個(gè)橢圓ROI替代；③ 減少窗位至步驟②計(jì)算值一半，調(diào)節(jié)窗寬至合適值，此時(shí)測(cè)量斜坡長(zhǎng)度，記下測(cè)量數(shù)據(jù)；④ 按式(1)得到層厚，層厚必須控制在（5±0.7）mm。

（2）幾何精度測(cè)量。在矢狀定位像中，縱向長(zhǎng)度代表體模長(zhǎng)度，軸位第5層的前后（A/P）和左右（R/L）長(zhǎng)度代表體模內(nèi)徑。體模長(zhǎng)度與內(nèi)徑理論值分別為148 mm和190 mm。體模長(zhǎng)度測(cè)量：調(diào)節(jié)窗寬窗位顯示體模矢狀位圖像，測(cè)量體模矢狀位兩邊長(zhǎng)度（Z方向），保證直線通過(guò)體模中心并垂直于體模上下兩邊，見(jiàn)圖2a。體模內(nèi)徑測(cè)量：在軸位第5層圖像上，調(diào)整窗寬窗位，測(cè)量線分別在縱向（Y方向）和水平上（X方向）通過(guò)體模中心，記下測(cè)量值，如圖2b。

圖2 ACR模型幾何精度、層厚測(cè)量示意圖

1.3 數(shù)據(jù)分析

精確度是對(duì)層厚、體模內(nèi)徑、體模長(zhǎng)度的真實(shí)值與測(cè)量值差異的評(píng)估。通過(guò)百分?jǐn)?shù)（%）表示，如式(2)：

變異系數(shù)（coefficient of Variation，CV）是對(duì)兩種數(shù)據(jù)離散程度的評(píng)估。CV等于測(cè)量值標(biāo)準(zhǔn)差（Standard Deviation，SD）與平均值的比值，用百分?jǐn)?shù)（%）表示，如式(3)：

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 24.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。層厚、體模長(zhǎng)度、體模內(nèi)徑數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）顯示，比較采用t檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)相關(guān)性使用線性回歸和Pearson相關(guān)性分析，P＜0.05表明差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 不同測(cè)量方式層厚與體模幾何測(cè)量值

自動(dòng)測(cè)量與手動(dòng)測(cè)量方式下，層厚、體模長(zhǎng)度、體模內(nèi)徑測(cè)量具體數(shù)值，見(jiàn)表1。

表1 層厚、體模長(zhǎng)軸及內(nèi)徑測(cè)量值（mm，±s）

表1 層厚、體模長(zhǎng)軸及內(nèi)徑測(cè)量值（mm，±s）

測(cè)量方式 層厚測(cè)量值 長(zhǎng)軸測(cè)量值 左右內(nèi)徑 前后內(nèi)徑自動(dòng)測(cè)量 4.99±0.04 147.54±0.26 190.04±0.18 190.20±0.36手動(dòng)測(cè)量 5.24±0.23 147.45±0.32 190.05±0.65 190.26±0.89 t值-1.94 0.62-0.14-0.29 P值 0.07 0.52 0.89 0.78

2.2 不同測(cè)量方式下層厚與體模幾何測(cè)量精度

采用自動(dòng)測(cè)量方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，層厚測(cè)量值與真實(shí)值（5 mm）的偏差小于0.05 mm，層厚精確度達(dá)99.2%。體模長(zhǎng)軸測(cè)量值與真實(shí)值（148 mm）相差（0.46±0.25）mm；左右徑與真實(shí)值相差（0.14±0.12）mm；前后徑與真實(shí)值相差（0.30±0.23）mm。體模各測(cè)量值的精確度均高于99%。采用手動(dòng)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)，層厚測(cè)量值與真實(shí)值（5 mm）的偏差為0.27 mm，層厚精確度為94.66%。體模長(zhǎng)軸測(cè)量值與真實(shí)值（148 mm）相差（0.64±0.32）mm；左右徑與真實(shí)值相差（0.48±0.42）mm；前后徑與真實(shí)值相差（0.73±0.4）mm。不同測(cè)量方式下層厚與體模幾何精確度結(jié)果，見(jiàn)表2。

表2 層厚、體模長(zhǎng)軸及內(nèi)徑測(cè)量值精確度（%，±s）

表2 層厚、體模長(zhǎng)軸及內(nèi)徑測(cè)量值精確度（%，±s）

前后徑精確度自動(dòng)測(cè)量 99.20±0.39 99.69±0.17 99.92±0.06 99.84±0.13手動(dòng)測(cè)量 94.66±3.93 99.57±0.22 99.74±0.22 99.58±0.24測(cè)量方式 層厚精確度長(zhǎng)軸精確度左右徑精確度

穩(wěn)定性方面，自動(dòng)測(cè)量方式下層厚的CV值小于1%，體模各測(cè)量值的CV小于0.2%；手動(dòng)測(cè)量方式下層厚的CV值為4.39%，體模各值的CV值在0.2%～0.5%之間。CV具體數(shù)值，見(jiàn)表3。

表3 層厚、體模長(zhǎng)軸及內(nèi)徑測(cè)量值CV（%）

2.3 自動(dòng)與手動(dòng)測(cè)量值間線性關(guān)系

圖3顯示自動(dòng)與手動(dòng)測(cè)量值的相關(guān)性。設(shè)備線性回歸系數(shù)（R2）值高于0.90，pearson相關(guān)系數(shù)（r）高于0.95，P＜0.05。

圖3 厚、體模長(zhǎng)軸與內(nèi)徑各測(cè)量值（a和b），自動(dòng)與手動(dòng)測(cè)量值間線性關(guān)系（c和d）

總之，經(jīng)t檢驗(yàn)，手動(dòng)、自動(dòng)兩種測(cè)量方式的層厚與體模幾何測(cè)量值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。穩(wěn)定性方面，手動(dòng)測(cè)量的CV值約是自動(dòng)測(cè)量CV值的4倍。處理時(shí)間方面，手動(dòng)測(cè)量時(shí)經(jīng)驗(yàn)豐富操作人員約30 min，初學(xué)者約45 min；自動(dòng)處理時(shí)間不到10 s。因此，自動(dòng)與手動(dòng)兩種處理結(jié)果間無(wú)顯著差異，且與手動(dòng)處理相比，自動(dòng)分析的結(jié)果更加穩(wěn)定，處理速度更快。

3 討論

MRI設(shè)備質(zhì)量控制是指MRI設(shè)備在選購(gòu)、安裝、調(diào)試、運(yùn)行的整個(gè)過(guò)程中，嚴(yán)格按照要求進(jìn)行規(guī)范化作業(yè)，使設(shè)備各項(xiàng)指標(biāo)和參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，處在安全、準(zhǔn)確、有效的工作狀態(tài)，發(fā)揮設(shè)備最優(yōu)化的各種性能，為臨床診斷提供優(yōu)質(zhì)圖像的系統(tǒng)措施?，F(xiàn)階段，隨著MRI設(shè)備的進(jìn)步以及功能影像技術(shù)的深入研究，臨床對(duì)數(shù)據(jù)圖像的客觀度量[12-14]以及多中心、跨地區(qū)的功能MRI[15-16]需求逐步增加，此時(shí)對(duì)MRI質(zhì)量控制和質(zhì)量保證的要求也逐步提高。

層厚是指成像層面在成像空間第三維方向上的尺寸，表示一定厚度的掃描層面，對(duì)應(yīng)一定范圍的頻率帶寬，即為成像層面靈敏度剖面線的半高全寬值[17]。層厚受多種因素影響，主要有梯度場(chǎng)、靜磁場(chǎng)、射頻場(chǎng)、選擇脈沖、激發(fā)脈沖等，這些因素都會(huì)導(dǎo)致設(shè)備層厚選擇出現(xiàn)誤差。層厚國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為：設(shè)置標(biāo)稱(chēng)層厚在5～10 mm之間，層厚測(cè)量值與標(biāo)稱(chēng)值誤差小于±1 mm。本實(shí)驗(yàn)手動(dòng)與自動(dòng)兩種方式測(cè)量的層厚誤差均在0.5 mm內(nèi)，達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求[18]。

幾何精度又稱(chēng)線性度或幾何畸變，體現(xiàn)MRI設(shè)備再現(xiàn)物體幾何尺寸的能力[19]。若圖像線性度差，圖像發(fā)生幾何扭曲，則不能真實(shí)反映物體的幾何形態(tài)。MRI產(chǎn)生幾何畸變的主要原因是靜磁場(chǎng)與梯度磁場(chǎng)的不均勻。靜磁場(chǎng)不均勻時(shí)，各點(diǎn)共振頻率不同，導(dǎo)致線性失真。若梯度場(chǎng)線性度差時(shí)，相位編碼與頻率編碼出現(xiàn)誤差，產(chǎn)生幾何失真[20-21]。國(guó)家規(guī)定幾何變形程度規(guī)定：幾何畸變率不應(yīng)大于5%。在本次測(cè)試中，設(shè)備X、Y和Z三方向的幾何精度均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，即精確度均大于99.5%。需指出的是，在內(nèi)徑測(cè)量時(shí)11個(gè)層面均可測(cè)量，不只局限于第5層，只是在該層面幾何精度最佳[22]。研究表明，完整的幾何精度評(píng)估是在梯度序列下完成，須涉及特定體積內(nèi)的ROI測(cè)量，并將幾何變形圖呈現(xiàn)[23-24]。因此，今后在幾何精度測(cè)量方面，可致力于設(shè)備質(zhì)量控制程序的設(shè)計(jì)與集成，繪制幾何變形圖像。

在不久將來(lái)，將自動(dòng)質(zhì)量控制數(shù)據(jù)處理與存檔系統(tǒng)集成在一起，加快可視化質(zhì)量控制指標(biāo)的時(shí)間過(guò)程。此外，為了避免多種設(shè)備機(jī)型圖像質(zhì)量差異，可在醫(yī)院所有MRI設(shè)備中執(zhí)行質(zhì)量控制程序，以此作為多點(diǎn)MRI質(zhì)量控制研究的開(kāi)始。

同時(shí)，本研究尚存在不足之處：一是MRI質(zhì)量控制項(xiàng)目有幾何精度、層厚、信噪比、空間分辨力和密度分辨力，本文未對(duì)后三項(xiàng)進(jìn)行研究；二是MATLAB軟件本身存在較大局限性，在界面編寫(xiě)、文件轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)處理運(yùn)算方面不及VC++。

4 結(jié)論

綜上，兩種測(cè)量方式在層厚與幾何精度上有很強(qiáng)的相關(guān)性，相應(yīng)P值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.05，兩種方式測(cè)量值一致性良好，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Panych等[25]和Alaya等[5]的結(jié)論相一致。與手動(dòng)檢測(cè)相比，使用自動(dòng)測(cè)量方式可顯著縮短質(zhì)量控制時(shí)間，同時(shí)保證了與手動(dòng)測(cè)量的一致性，降低結(jié)果的主觀性。在MRI質(zhì)量控制層厚與幾何精度分析上，自動(dòng)分析方式優(yōu)于手動(dòng)處理，推薦應(yīng)用于臨床。